中國粉體網訊 由于陶瓷材料的本身脆性大、韌性低，使其使用可靠性和抗破壞能力差，并增大了災難性失效幾率，這些致命缺點限制了陶瓷材料在工程方面的應用。為增大陶瓷的應用范圍，其斷裂韌性必須得到改善，使強韌性和工作可靠性得到提高。
通常情況下，在陶瓷基體中加入第二相材料，通過顆粒增韌、纖維增韌、復合增韌、相變增韌、納米增韌等方式消耗裂紋擴展中的能量，或利用第二相材料與基體由于熱膨脹系數不匹配在材料體內產生的殘余熱應力，是長期以來得到廣泛研究與應用的陶瓷材料增韌方法。
石墨烯作為結構材料增強體的優勢在于其優異的機械性能和獨特的物理/化學性能，例如，其拉伸強度可達130GPa，楊氏模量和彈性模量分別高達1100GPa、0.5~1TPa，賦予了優于碳納米管等其他碳同素異形體材料的眾多優勢。另外，石墨烯的高比表面積（2630m2g-1）提供了與基體更大的作用面積。
石墨烯對陶瓷材料的增韌機理
石墨烯通過自身增強增韌、導致裂紋橋接與偏轉及拔出效應等對陶瓷材料增強增韌，顯著提高了陶瓷材料的力學性能。下面我們以幾種陶瓷材料為例了解一下石墨烯具體是如何增韌陶瓷材料的。
1、石墨烯增韌氧化物陶瓷
以石墨烯增韌氧化物陶瓷為例，據一些研究者研究發現，在氧化鋯中加入石墨烯的增韌機理主要有以下幾點：
（1）石墨烯均勻分布于基體，對晶粒生長起到了釘扎作用，從而達到細化晶粒的作用；
（2）石墨烯的引入可使部分四方相發生向單斜相的轉變，使材料內部產生微裂紋，當對材料施加應力時，這部分微裂紋能夠吸收主裂紋所受的應力，防止裂紋的擴展，起到增韌的效果；
（3）石墨烯是一種片狀的結構，具有非常大的比表面積，其表面粗糙有褶皺，可以提升氧化鋯基體和石墨烯的機械鎖合，進而提高了氧化鋯基體和石墨烯間的應力傳遞效率，且石墨烯與氧化鋯基體間有更多的接觸面積，也正是由于接觸面積的變大，石墨烯和氧化鋯基體之間的結合力也隨之增強，這意味著如果要把氧化鋯從基體中拔出來，需要消耗更多的能量；
（4）石墨烯片在裂紋尖端處可以有效地抑制裂紋的進一步生長和繁殖，由于石墨烯在基體晶粒的固定和包裹下，形成了一個沿著晶界連續的石墨烯墻，從而阻止了裂紋在二維上傳播，使裂紋偏轉方向由二維轉向三維，同時可繼續在三維方向上阻止傳播，有利于在較小的區域內充分消耗斷裂能。而氧化鋯發生相變后，材料內部產生膨脹，原有的結構發生崩塌，石墨烯的包裹和固定作用也可支撐起原有的結構，吸收變化所產生的能量。
簡單來講，石墨烯增韌氧化鋯陶瓷要點為：石墨烯能包裹著氧化鋯晶粒，抑制氧化鋯的聚晶長大，石墨烯的添加后，氧化鋯中會出現四方相向單斜相的轉變，產生微裂紋抑制主裂紋的擴展，達到增韌的效果；石墨烯會連接著氧化鋯不同的區域，使氧化鋯更加致密，使石墨烯的拔出需要消耗更多的能量，從而來達到增強增韌的效果。
2、石墨烯增韌硼化物陶瓷
石墨烯引入硼化物陶瓷中可以顯著提高其力學性能，原因可歸納如下：
（1）石墨烯的潤滑作用使得燒結初期顆粒重排的過程加快；
（2）在燒結后期，石墨烯還可通過去除含氧雜質提高試樣的傳質速率，從而提高燒結體的致密度；
（3）石墨烯的加入使復合陶瓷的斷裂方式由原本的穿晶斷裂變為沿晶斷裂和穿晶斷裂并存；
（4）石墨烯的引入在陶瓷材料的斷裂過程中產生裂紋偏轉和橋接，從而提高硼化物陶瓷的斷裂韌性。但是需要指出的是，石墨烯在高溫燒結的條件下易團聚和損毀，導致其強韌化效果難以充分發揮。
3、石墨烯增韌氮化物陶瓷
在氮化物陶瓷中加入石墨烯可以降低其晶粒尺寸，同時石墨烯的存在也可促使裂紋在擴展時發生偏轉，從而提高復合陶瓷的斷裂韌性。但應該指出的是，引入的石墨烯會與氮化物陶瓷基質中的雜質發生反應，產生孔隙。另外，石墨烯易出現嚴重的團聚現象，也會導致復合陶瓷力學性能的降低。
4、石墨烯增韌碳化物陶瓷
以碳化硼為例，與不添加石墨烯的B4C陶瓷相比，通過石墨烯增韌的碳化硼陶瓷其韌性能提高約50％。其原因是：
（1）石墨烯的加入導致了裂紋發生大角度的偏轉，使得裂紋尖端的應力強度顯著降低；
（2）石墨烯的引入導致了裂紋發生分叉，這也有助于復合陶瓷斷裂韌性的提高；
（3）單層石墨烯和多層石墨烯共同導致的裂紋橋接作用。
在碳化物陶瓷中引入少量石墨烯可以抑制陶瓷晶粒的長大，去除晶界上的氧化物雜質，從而提高碳化物陶瓷的斷裂韌性。但是需要注意的是，隨著石墨烯納米片添加量的增多，其與基質之間的化學反應也加劇，使得石墨烯損毀嚴重，并在陶瓷材料中產生較多的孔隙，最終導致復合陶瓷致密度和力學性能的下降。
總結
石墨烯增強結構陶瓷材料目前已得到較為廣泛的研究，已研究用于增強各類碳化物、氮化物和氧化物陶瓷基體，石墨烯可在基體中均勻分散，經研究證明均可得到不同強化效果。但目前仍存在一些問題：
（1）石墨烯易堆疊是抑制石墨烯發揮其增韌效果的根本原因，解決這一問題的關鍵在于混料的均勻性以及如何在燒結過程中保持石墨烯的形貌及結構，放電等離子體燒結和高頻感應加熱燒結時間短，被證明是有利于保持石墨烯結構的兩種方法。而目前廣泛采用的方法是放電等離子體燒結，探索更多石墨烯增強陶瓷材料燒結的適宜方法，對提高石墨烯增強增韌效果具有推動作用；
（2）石墨烯的添加量較小，許多研究發現繼續增大石墨烯含量，復合陶瓷材料的強度和韌性反而下降，因此，如何能進一步提高石墨烯的增強增韌效果需要進一步研究和探索。
優化混料機燒結制備工藝，進一步改善石墨烯的分散，以及制備出單層或少層石墨烯，提高單層石墨烯含量，最大可能性發揮石墨烯的優勢是進一步提高結構陶瓷材料強韌性的途徑。
參考來源：
[1]趙宇航.石墨烯增強增韌氧化鋯陶瓷的機制
[2]曾淵.石墨烯增強增韌非氧化物陶瓷的研究進展
[3]楊建東.石墨烯增韌結構陶瓷材料研究進展
（中國粉體網編輯整理/山川）
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